CN110015339A - 线控转向系统的齿条限制状况检测和相应方向盘转矩反馈 - Google Patents

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Abstract

本文描述了用于线控转向(SBW)转向系统的技术方案，以检测齿条限制状况并产生可为驾驶员提供响应性手握式方向盘转矩的反馈信号。根据一个或多个实施例，线控转向转向系统包括接收输入信号的处理器，输入信号包括手握式方向盘速度信号和车辆速度信号。处理器基于输入信号确定齿条的模拟的左末端停止位置，并基于输入信号确定齿条的模拟的右末端停止位置。处理器将齿条位置与模拟的左末端停止位置和模拟的右末端停止位置进行比较。处理器基于确定出齿条位置不在由左末端停止位置和右末端停止位置界定的范围内来产生反馈信号。

Description

线控转向系统的齿条限制状况检测和相应方向盘转矩反馈
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2017年12月7日提交的序列号为62/595,756的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及线控转向系统，具体地，涉及线控转向系统的齿条限制状况检测和相应方向盘转矩反馈。
背景技术
线控转向(SBW)转向系统在人类驾驶员和可转向车轮之间没有直接机械连接，而是使用一个或多个电信号将来自人类驾驶员的输入传递到车轮，所述电信号使转矩产生并施加在车轮上。驾驶员与手握式方向盘致动器(HWA)相互作用，并且车轮由车轮致动器(RWA)操纵。这两个系统仅电气连接(通过电线)。
发明内容
本文描述了用于线控转向(SBW)转向系统的技术方案，以检测齿条限制状况并为驾驶员产生响应性手握式方向盘转矩。
根据一个或多个实施例，线控转向转向系统检测齿条限制状况。线控转向转向系统包括接收输入信号的处理器，输入信号包括手握式方向盘速度信号和车辆速度信号。处理器基于输入信号确定齿条的模拟的左末端停止位置，并基于输入信号确定齿条的模拟的右末端停止位置。处理器将齿条位置与模拟的左末端停止位置和模拟的右末端停止位置进行比较。处理器基于确定出齿条位置不在由左末端停止位置和右末端停止位置界定的范围内来产生反馈信号。
根据一个或多个实施例，一种检测齿条限制状况的方法包括接收包括手握式方向盘速度信号和车辆速度信号的输入信号。该方法还包括基于输入信号确定齿条的模拟的左末端停止位置。该方法还包括基于输入信号确定齿条的模拟的右末端停止位置。该方法还包括将齿条位置与模拟的左末端停止位置和模拟的右末端停止位置进行比较。该方法还包括基于确定出齿条位置不在由左末端停止位置和右末端停止位置界定的范围内来产生反馈信号。
一种计算机程序产品，包括计算机可读存储设备，其中存储有一个或多个计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器执行时，执行检测齿条限制状况的方法。该方法包括接收包括手握式方向盘速度信号和车辆速度信号的输入信号。该方法还包括基于输入信号确定齿条的模拟的左末端停止位置。该方法还包括基于输入信号确定齿条的模拟的右末端停止位置。该方法还包括将齿条位置与模拟的左末端停止位置和模拟的右末端停止位置进行比较。该方法还包括基于确定出齿条位置不在由左末端停止位置和右末端停止位置界定的范围内来产生反馈信号。
从以下结合附图的描述中，这些和其他优点和特征将变得更加明显。
附图说明
在说明书结尾处的权利要求中特别指出并清楚地要求保护本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点将变得清晰，其中
图1示出了根据一个或多个实施例的包括转向系统的车辆；
图2描绘了根据一个或多个实施例的HWA的框图；
图3描绘了根据一个或多个实施例的齿条限制检测和反馈的框图；
图4描绘了可以如何基于手握式方向盘速度和车辆速度计算齿条限制检测阈值的示例；
图5示出了根据示例场景的齿条限制条件检测和反馈的示例操作；
图6示出了根据示例场景的齿条限制条件检测和反馈的另一示例操作；以及
图7描绘了根据一个或多个实施例的用于SBW系统的齿条限制状况检测和相应的方向盘转矩反馈的流程图。
具体实施方式
如本文所使用的，术语模块和子模块指的是一个或多个处理电路(例如专用集成电路(ASIC)、电子电路)、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或群组的)和存储器、组合逻辑电路和/或提供所述功能的其他合适组件。可以理解，下面描述的子模块可以进行组合和/或被进一步划分。
本文描述的是转向系统的若干实施例，例如线控转向(SBW)转向系统，其提供路缘状况检测。
现在参考附图，其中将参考特定实施例描述本发明，但不限制本发明，图1中描绘了车辆100中的线控转向(SBW)转向系统40。应当理解，所示和所述的SBW系统40可以用在自动或半自动车辆或更传统的车辆中。SBW系统40包括手握式方向盘致动器(HWA)10和车轮致动器(RWA)20。
HWA 10包括一个或多个机械组件12，例如手握式方向盘(方向盘)、转向柱、通过齿轮机构或直接驱动系统附接到转向柱的马达/逆变器。HWA 10还包括控制机械组件12的操作的微控制器14。微控制器14经由一个或多个机械组件12接收和/或产生转矩。
RWA包括一个或多个机械组件22，例如通过滚珠螺母/滚珠螺钉(齿轮)装置耦合到马达/逆变器的转向齿条和/或小齿轮，并且齿条通过连接杆连接到车辆车轮/轮胎。RWA 20包括控制机械组件22的操作的微控制器24。微控制器24经由一个或多个机械组件22接收和/或产生转矩。
微控制器14和24通过允许发送/接收信号的电连接进行耦合。如本文所提到的，控制器可以包括HWA控制器14和RWA控制器24的组合或任何一个特定微控制器。
在一个或多个示例中，SBW系统40的控制器14和24通过CAN接口(或其他类似的数字通信协议)彼此通信。通过使用转向机构来执行装配有SBW系统40的车辆100的引导，其中输入轴由RWA 20(例如伺服致动器)旋转。RWA 20接收驾驶员对方向盘的旋转的电子通信信号。驾驶员控制方向盘以定向控制车辆100。来自HWA 10的角度被发送到RWA 20，RWA 20执行位置控制以控制齿条行程以引导车轮。然而，由于方向盘和车轮之间缺乏机械连接，所以在没有转矩反馈的情况下，驾驶员没有路感(与前面描述的EPS中的情况不同)。
在一个或多个示例中，耦合到转向柱和方向盘的HWA 10模拟驾驶员的路感。HWA10可以以转矩的形式将触觉反馈施加到方向盘。HWA 10接收来自RWA 20的齿条力信号，以为驾驶员产生适当的转矩感觉。或者，手握式方向盘角度和车辆速度也可用于为驾驶员产生期望的转矩感。
应当理解，所示和所述的线控转向转向系统40可以用在自动或半自动车辆或更传统的车辆中。例如，控制器14和24还可以与利用高级驾驶员辅助系统(“ADAS”)27的自动或半自动车辆相关联。ADAS系统27可以利用导航系统，该导航系统使得车辆100及其乘客能够在不让操作者操纵车辆100的情况下进行地点之间(portal-to-portal)驾驶。当激活ADAS系统27时，不需要方向盘12来控制车辆100，因此，在自动驾驶模式期间不需要旋转方向盘12。在包括ADAS系统27的一个或多个示例中，在ADAS系统27的非激活模式中，致动器10和20接收车辆100的驾驶员/操作者旋转方向盘12的电子通信信号。当需要自动车辆驾驶状态时，激活ADAS系统27，从而停用通过方向盘12对车轮22的定向控制。驾驶员能够在自动车辆驾驶状态和非自动车辆驾驶状态之间切换。
图2描绘了根据一个或多个实施例的HWA的框图。非自动车辆驾驶状态(如果包括ADAS系统27，则是ADAS系统27的非激活模式)包括驾驶员控制方向盘12以定向控制车辆100。如上所述，在ADAS系统27的非激活模式中，HWA 10接收驾驶员转动方向盘14的电子通信信号。然而，由于方向盘12和车轮22之间缺少机械连接，所以在没有转矩反馈的情况下，驾驶员没有路感。在一个或多个示例中，HWA 10包括转矩系统200以模拟给驾驶员的转矩。转矩系统200可包括耦接到转向柱16和方向盘12的伺服致动器，以模拟驾驶员的路感。转矩系统200可以以转矩的形式将触觉反馈施加到方向盘12和/或转向柱16。应当注意，在一个或多个示例中，转矩反馈系统200可以使用任何其他组件来代替耦合到转向柱16和方向盘12的另一伺服致动器来提供触觉反馈，以向方向盘12提供转矩形式的触觉反馈来模拟驾驶员的路感。
本文描述的实施例的各方面可以由诸如控制器14和24的任何合适的控制系统和/或处理设备执行。在一个实施例中，控制器14和24可以是电子控制单元(ECU)。车辆100可包括附加的ECU。控制器14和24接收来自其他ECU的信息，例如车辆速度信号、一个或多个传感器信息信号和各种其他信息电子信号。如前所述，有诸如协议SCI、CAN和MLI等的多种通信方法被设计以用于内部微通信(inter-micro communication)。每个协议可以满足数据处理的安全方面的一部分，但并不固有地确保涵盖所有安全方面。
当使用SBW时，由HWA马达提供的转矩被控制为参考转矩(Tref)。然后将该参考转矩与在手握式方向盘处测量的实际转矩(Tbar转矩)进行比较。这两者之间的误差产生误差，并且控制回路用于管理转矩误差。该控制有时被称为闭环转矩控制。
当车辆100处于齿条22由于其机械极限或环境限制(例如，在沟中、车辙中、路缘处等)或系统能力限制(例如，齿条马达可能处于退化状态，其输出能力降低)而不能物理移动的情况时存在技术挑战。在这种情况下，正常的转向感觉算法无法检测到这些状况，因此HWA 10无法提供充足转矩量(通常大转矩量并超出转矩传感器感测范围)来向驾驶员表示齿条处于受限的状况。但是，通知驾驶员这些情况至关重要，以便驾驶员采取适当的行动。提供充足转矩反馈以防止驾驶员沿着齿条22不能跟随的方向移动手握式方向盘12也是非常重要的。后者会导致手握式方向盘12和车轮22(或齿条)不同步，这会产生其他问题。因此，需要全面的功能以允许检测限制齿条移动的所有情况，并在这些情况下向驾驶员提供适当的反馈。本文描述的技术方案解决了这些技术挑战。
图3描绘了根据一个或多个实施例的齿条限制检测和反馈的框图。使用五个功能块描绘检测和反馈：齿条限制检测阈值生成310、模拟的末端停止调整320、手握式方向盘模拟的末端停止功能330、SBW车辆齿条诊断340和自动车辆齿条诊断/路径规划350。应该注意，所描绘的块是示例性的，并且在其他示例中，可以使用不同的块和/或附加的和更少的块来表示检测和反馈。
SBW车辆齿条诊断340负责动态地确定SBW系统40的齿条(或其他组件)的故障状况。例如，如果SBW系统40的一个或多个组件未在与各个组件相关联的预定的阈值/范围内操作，那么SBW车辆齿条诊断340引发误差标记(error flage)，该误差标记能使SBW系统40通知驾驶员和/或阻止SBW系统40的任何进一步操作。在一个或多个示例中，如果车辆100配备有ADAS27，则误差标记能使ADAS 27将车辆100操纵到安全停止、到服务站或执行任何其他操纵。
以类似的方式，自动车辆齿条诊断/路径规划350负责动态地确定车辆100的齿条(或其他组件)的故障状况。例如，如果SBW系统40的一个或多个组件未在与各个组件相关联的预定的阈值/范围内操作，那么自动车辆齿条诊断/路径规划350引发误差标记，该误差标记能使车辆100通知驾驶员和/或阻止车辆100的任何进一步操作。在一个或多个示例中，误差标记能使ADAS 27将车辆100操纵到安全停止、到服务站或执行任何其他操纵。
齿条限制检测阈值生成310将车辆速度和手握式方向盘速度作为输入并计算齿条限制检测阈值。图4描绘了根据一个或多个实施例的可以如何基于两个输入计算齿条限制检测阈值的示例。可以看出，齿条限制检测阈值随着车辆速度的变化而动态变化。
参见图3，第二块，模拟的末端停止调整320，获取所计算的齿条限制检测阈值以及左齿条机械末端停止和右齿条机械末端停止，并计算模拟的左右末端停止位置。在一个或多个示例中，使用以下表达式进行计算。然而，在其他示例中，计算可以在不偏离本文描述的技术方案的创新构思的情况下变化。
模拟的左末端停止位置＝最大(齿条位置-齿条限制检测阈值，左机械齿条极限)；以及
模拟的右末端停止位置＝最小(齿条位置+齿条限制检测阈值，右机械齿条极限)。
如果车辆100是配备有SBW的车辆，则模拟的末端停止调整320的输出确定齿条移动的状况并将其传送给SBW车辆齿条诊断340。替代地或另外地，如果车辆100是自动车辆，则模拟的末端停止调整320将输出传送到自动车辆齿条诊断/路径规划350。在车辆100是配备有SBW的自动车辆的情况下，块340和350都可以从模拟的末端停止调整320接收输出。左齿条机械末端停止和右齿条机械末端停止是表示齿条移动的物理极限的预定值。
最后，HW模拟的末端停止功能330获取手握式方向盘位置、手握式方向盘速度、模拟的左右末端停止位置，并计算适当的通知转矩量(通常>10Nm)以提醒驾驶员情况并防止驾驶员造成手握式方向盘12和车轮22之间不同步状况。该功能在配备SBW的车辆中执行。该功能通过如下位置控制算法实现：如果手握式方向盘位置大于模拟的右末端停止位置(到达模拟的右末端停止位置的右侧)，则激活位置控制算法以将手握式方向盘12返回到模拟的右末端停止位置。类似地，如果手握式方向盘位置小于模拟的左末端停止位置(到达模拟的左末端停止位置的左侧)，则还激活位置控制算法以将手握式方向盘12返回到模拟的左末端停止位置。如果手握式方向盘12处于模拟的左右末端停止位置之间，则手握式方向盘模拟的末端停止功能330被停用并且正常转向感觉功能接管以便于转矩系统200提供驾驶员正常的转向感觉。
在手握式方向盘模拟的末端停止功能330中使用位置控制算法而不是使用转矩系统200，这允许超过10Nm的典型转矩感测极限。因此，可以向驾驶员提供充足转矩反馈量用于齿条限制反馈，其中充足转矩量不受转矩感测限制的限制，而是受HWA 10的转矩产生极限的限制。通常，HWA 10的转矩产生极限(例如，65Nm)大于转矩感测极限(10Nm)。因此，本文描述的技术方案有助于SBW 40提供比以前更大的转矩，其中驾驶员可以注意到更大的转矩，并因此向驾驶员发出通知。
图5示出了根据示例场景的齿条限制状况检测和反馈的示例操作。在图5中，当手握式方向盘位置在虚线内时，向驾驶员提供“正常”转向反馈，否则提供根据本文所述的齿条限制检测和反馈的通知转矩。这里，“正常”转向反馈是当车轮22未被卡住或未被阻止移动时根据路面的模拟的转矩反馈。
从图5中可以看出，模拟的末端停止位置形成围绕实际齿条位置的窄带510，带510的宽度是计算的检测阈值。当带510满足齿条机械极限时，则带510受到机械极限值的限制(520)。当齿条受限时，齿条不能跟随手握式方向盘12的位置，导致手握式方向盘位置超出带510。当发生这种情况时，检测到齿条限制，并通过使用上述模拟的末端停止330功能产生要在手握式方向盘12处提供的通知转矩来提供相应的反馈量。
图6示出了根据示例场景的齿条限制状况检测和反馈的另一示例操作。在此示例场景中，齿条在达到机械极限之前受到限制。可以看出，在齿条不受限的情况下，齿条位置基于闭环齿条位置跟踪而跟随手握式方向盘位置。在这种情况下，手握式方向盘位置始终位于模拟的左右末端停止位置之间，其中使用转矩系统200提供正常的转向感觉。在齿条受限的情况下，即齿条不能跟随手握式方向盘位置，则导致手握式方向盘超出模拟的右末端停止位置的位置。图6中的手握式方向盘位置曲线610的区段表示齿条限制条件的检测，其中相应的通知转矩量作为反馈被提供给驾驶员。
图7描绘了根据一个或多个实施例的用于SBW系统的齿条限制状况检测和相应的方向盘转矩反馈的流程图。所描绘的方法700包括通过SBW系统40的控制器接收手握式方向盘速度和车辆速度信号(710)。方法700还包括使用输入值确定齿条限制检测阈值(720)。齿条限制检测阈值还用于在运行时计算齿条的模拟的末端停止位置(730)。针对齿条的左右移动计算模拟的末端停止位置。在一个或多个示例中，还可以计算附加的模拟的末端停止位置。使用齿条的预定机械停止位置进一步限制模拟的末端停止位置(740)。
该方法还包括将齿条位置与计算的模拟的末端停止位置进行比较(750)。如果齿条位置在由模拟的末端停止位置形成的带内，则RWA 20根据路面(例如基于路面的摩擦系数)提供“正常”反馈(760)。这种反馈受到转矩感测能力的限制，例如在10Nm(第一预定极限)内。
或者，如果齿条位置超过由模拟的末端停止位置形成的带，则RWA 20产生并提供反馈信号(770)。反馈信号可以包括用于HWA 10在手握式方向盘12处产生的转矩指令。例如，转矩指令可以是更大的转矩(与正常反馈相比)。转矩指令不受转矩感测能力的限制，而是受HWA 10的转矩产生限制(例如，65Nm(第二预定极限))的限制。转矩指令可以抑制驾驶员对手握式方向盘12的移动，从而防止手握式方向盘12处于与被卡住的车轮22不同步的位置。
在一个或多个示例中，反馈信号可以包括给ADAS 27的通知以调整车辆100的操纵。例如，ADAS 27可以停止车辆100和/或停止请求车辆100在检测到路缘/车辙的方向上转弯。ADAS 27可以进一步基于反馈更新为车辆100计划的路径。应当理解，如本文所使用和定义的，术语“路缘”可以指一个或多个车轮所遇到的任何类型的环境障碍物，其将导致对齿条行程的限制并且不被解释为仅指物理道路路缘。在非限制性示例中，如本文所使用的术语“路缘”可以指任何环境障碍物，例如物理路缘、车辙、坡道、凸起或凹陷的下水道篦板、小沟或隆起等。
因此，本文描述的技术方案有助于SBW检测齿条限制状况。此外，本文描述的技术方案确保不会错误地设置与HWA和RWA之间的跟踪误差相关的诊断。如果未恰当地检测到齿条限制状况，则驾驶员可能会继续转动车轮(当限制在预定值时)并且位置跟踪误差可能会增加，并且可能在不是系统故障时错误地触发误差，而非环境条件限制SBW系统无法按预期执行。提供附加的HWA转矩(达到预定的最大HWA最大值)减少了在齿条限制状况下这种错误跟踪误差的可能性，并且另外为SBW系统内的诊断提供了更稳健的输入。
本技术解决方案可以是任何可能的技术细节整合程度下的系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质(或媒介)，其上具有计算机可读程序指令，用于使处理器执行本技术方案的各方面。
本文参考根据技术方案实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本技术方案的各方面。将理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机可读程序指令实现。
附图中的流程图和框图示出了根据本技术方案的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。就此而言，流程图或框图中的每个框可以表示模块、段或部分指令，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方式中，框中提到的功能可以不按图中所示的顺序发生。例如，事实上，连续示出的两个框可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应注意，框图和/或流程图的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行特定功能或动作或者执行专用硬件和计算机指令的组合的专用硬件型系统来实现。
还应当理解，本文示例的执行指令的任何模块、单元、组件、服务器、计算机、末端或装置可以包括计算机可读介质，诸如存储介质、计算机存储介质或数据存储装置(可移除和/或不可移除)，例如磁盘、光盘或磁带，或可对其进行访问。计算机存储介质可以包括在用于存储信息(例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。这种计算机存储介质可以是装置的一部分，也可以是可对其进行访问或连接的。本文描述的任何应用或模块可以使用可以由这类计算机可读介质存储或保持的计算机可读/可执行指令来实现。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了技术方案，但应容易理解，技术方案不限于这些公开的实施例。相反，可以修改技术方案以包含此前未描述但与技术方案的精神和范围相当的任何数量的变型、改变、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了技术方案的各种实施例，但是应该理解，技术方案的各方面可以仅包括所描述的实施例中的一些实施例。因此，技术方案不应被视为受前述描述的限制。

Claims (15)

1.一种线控转向转向系统，被配置为检测齿条限制状况，所述线控转向转向系统包括：
处理器，被配置为：
接收包括手握式方向盘速度信号和车辆速度信号的输入信号；
基于输入信号确定齿条的模拟的左末端停止位置；
基于输入信号确定齿条的模拟的右末端停止位置；
将齿条位置与模拟的左末端停止位置和模拟的右末端停止位置进行比较；以及
基于确定出齿条位置不在由左末端停止位置和右末端停止位置界定的范围内，产生反馈信号。
2.根据权利要求1所述的线控转向转向系统，其中，确定模拟的左末端停止位置和模拟的右末端停止位置包括：
基于手握式方向盘速度信号和齿条速度信号确定齿条限制阈值。
3.根据权利要求2所述的线控转向转向系统，其中，确定模拟的左末端停止位置包括：模拟的左末端停止位置＝最大(齿条位置-齿条限制阈值，左机械齿条极限)，其中，左机械齿条极限是预定值。
4.根据权利要求2所述的线控转向转向系统，其中，确定模拟的右末端停止位置包括：模拟的右末端停止位置＝最小(齿条位置+齿条限制检测阈值，右机械齿条极限)，其中，右机械齿条极限是预定值。
5.根据权利要求1所述的线控转向转向系统，其中，所述处理器还被配置为基于反馈信号调整指令齿条位置。
6.根据权利要求1所述的线控转向转向系统，其中，所述处理器还被配置为基于反馈信号生成手握式方向盘转矩。
7.根据权利要求1所述的线控转向转向系统，其中，所述处理器还被配置为基于反馈信号执行车辆操纵。
8.根据权利要求1所述的线控转向转向系统，其中，所述处理器包括用于手握式方向盘致动器的第一处理器和用于车轮致动器的第二处理器。
9.一种检测齿条限制状况的方法，所述方法包括：
接收包括手握式方向盘速度信号和车辆速度信号的输入信号；
基于输入信号确定齿条的模拟的左末端停止位置；
基于输入信号确定齿条的模拟的右末端停止位置；
将齿条位置与模拟的左末端停止位置和模拟的右末端停止位置进行比较；以及
基于确定出齿条位置不在由左末端停止位置和右末端停止位置界定的范围内，产生反馈信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，确定模拟的左末端停止位置和模拟的右末端停止位置包括：
基于手握式方向盘速度信号和车辆速度信号确定齿条限制阈值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，确定模拟的左末端停止位置包括：模拟的左末端停止位置＝最大(齿条位置-齿条限制阈值，左机械齿条极限)，其中，左机械齿条极限是预定值。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，确定模拟的右末端停止位置包括：模拟的右末端停止位置＝最小(齿条位置+齿条限制检测阈值，右机械齿条极限)，其中，右机械齿条极限是预定值。
13.根据权利要求9所述的方法，还包括基于反馈信号调整指令齿条位置。
14.根据权利要求9所述的方法，还包括基于反馈信号产生手握式方向盘转矩。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括基于反馈信号执行车辆操纵。
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